淺析FLAC3D對軟質(zhì)巖隧道的變形與應力分布規(guī)律

文/核工業(yè)華南建設工程集團公司 生顯偉

在濕陷性淺埋、偏壓軟質(zhì)巖隧道施工中，若隧道開挖跨度較大可能會導致隧道掘進過程中發(fā)生拱部土體剝落、局部土體坍塌等現(xiàn)象，安全隱患較大，施工進度受較大制約。本文以某高速公路軟質(zhì)巖隧道為研究對象，通過采用FLAC3D軟件模擬隧道上下臺階法施工過程中的圍巖穩(wěn)定性狀況，得出軟質(zhì)巖隧道圍巖的變形規(guī)律和應力分布規(guī)律。

某高速公路隧道為分離式雙洞隧道，最大斷面169.5m2。隧道進出屬濕陷性淺埋、偏壓軟質(zhì)巖隧道，隧址地表溝壑縱橫，最小埋深僅0.8m。隧道開挖跨度大，土體含水率高，隧道掘進過程中經(jīng)常發(fā)生拱部土體剝落，局部土體坍塌等現(xiàn)象。

FLAC3D基本原理

FLAC3D是基于顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)的三維分析軟件，采用通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合巖體結(jié)構(gòu)，進而研究三維巖體結(jié)構(gòu)的受力特性，準確地模擬材料的塑性破壞和流動分析。FLAC3D軟件內(nèi)置Mohr-Coulomb屈服準則模擬開挖圍巖的應力和位移變化，模擬步驟劃分為網(wǎng)格劃分；模型定型、參數(shù)賦值；初始應力、邊界條件設置。

巖體模型

初始應力場主要由地球引力場和等效荷載構(gòu)成，模型模擬過程中忽略地下水影響，隧道最大埋深、跨度、高分別為95m、16m、10m，左右隧道外輪廓間距23m。隧道兩外側(cè)邊界距離模型外邊界48m，隧道下邊界距模型底邊界20m，模型尺寸如圖1所示。選取里程范圍為K178+080至K178+085段，地下埋深-95m的隧道圍巖為研究對象，X軸、Y軸、Z軸正向分別為隧道右側(cè)、垂直隧道面向里、垂直隧道軸線向上。模型X軸、Y軸計算區(qū)域為150m、5m，此范圍內(nèi)的模型由87800個節(jié)點、75325個單元構(gòu)成。模型左右邊界X方向上的位移為0，前后面邊界Y方向上位移為0，底面邊界上Z方向位移為0，模型上邊界不受約束，三維模型，如圖2所示。

計算參數(shù)確定

根據(jù)前期地質(zhì)勘察、相關(guān)材料構(gòu)件與巖石力學試驗報告，模型內(nèi)各類構(gòu)件與巖土的參數(shù)，如表1所示。

右側(cè)隧道分析

右側(cè)隧道上臺階位移模擬

右側(cè)隧道初始開挖階段，隧道中軸線左右兩側(cè)豎向位移呈現(xiàn)對稱分布，位移量較小，拱頂中軸線位置出現(xiàn)17.5mm的豎向位移。拱頂以上至巖體深部位移值越來越小，拱頂上方20m～25m范圍內(nèi)垂直位移較大，平均約10mm。拱低中軸線位置出現(xiàn)19.8mm的最大豎向位移。拱底部以上至巖體深部16m范圍內(nèi)位移較小約6mm，此處的圍巖穩(wěn)定性較差，需加強支護。隧道初始開挖后，隧道中軸線左右兩側(cè)橫向位移呈現(xiàn)對稱分布，拱腳巖壁處向內(nèi)距離0.5m處有最大4.1mm的橫向位移，隨巖體深處延伸橫向位移越來越小。

圖1 隧道斷面尺寸示意

圖2 隧道三維模型

表1 模型參數(shù)

隧道上臺階開挖支護后，拱頂范圍內(nèi)豎向變形區(qū)呈現(xiàn)增加趨勢，拱頂中軸線位置的豎向位移增加了0.4mm，但就全區(qū)域而言位移變形量降低；拱低中軸線位置的最大豎向位移減少了0.2mm，橫向最大位移位置無變化，數(shù)值與變形區(qū)域略微減小，表明隧道內(nèi)的初期支護阻止了隧道圍巖的初始大變形。

右側(cè)隧道上臺階應力模擬

由于隧道開挖干擾了原巖應力，使得拱頂和拱底應力釋放此時隧道拱頂和拱底壓應力為約0.2MPa～0.6MPa。但隧道開挖造成拱腳處出現(xiàn)壓應力集中現(xiàn)象，此處的應力值達到3.1MPa～4.2MPa，大于圍巖的抗壓強度，此處易發(fā)生圍巖破壞，須加強支護。拱腰左右兩側(cè)一定范圍內(nèi)，出現(xiàn)了范圍在0.1MPa～0.3MPa的較大拉應力區(qū)域，但小于巖體的抗拉強度，拱腰處巖土此時處于穩(wěn)定狀態(tài)。

初支后，隧道拱腳處壓應力的集中現(xiàn)象未減弱，支護區(qū)的拉應力范圍與最大值均增大，表明支護后引起隧道巖壁拉應力值與范圍的持續(xù)擴大。

右隧道下臺階位移模擬

右隧道下臺階開挖未支護，拱頂區(qū)臨空面最大豎向位移值增大為18.3mm，下沉影響的范圍大于上臺階開挖時期。較大沉降區(qū)域平均約15mm，范圍未發(fā)生明顯變化。拱腰區(qū)域垂直向上最大位移數(shù)值減小為17.1mm。下臺階施工開挖后，拱腳最大橫向位移增加到4.4mm。右隧道下臺階開挖支護后，拱頂區(qū)域豎向變形區(qū)持續(xù)增大，最大豎向位移增加到18.5mm；拱底圍巖隆起減為17.5mm；橫向最大變形位置未轉(zhuǎn)移。

右隧道下臺階應力模擬

右線隧道下臺階開挖后未加支護措施時隧道拱頂和拱底壓應力、拱腳區(qū)域壓應力值總體情況和上臺階施工后相似，但數(shù)值增大。下臺階開挖支護后隧道拱腳處的壓應力集中現(xiàn)象持續(xù)存在。拉應力范圍與值均增大，表明支護起到一定作用。

左隧道模擬分析

左隧道上臺階位移分析

受到右側(cè)隧道影響，左隧道上臺階開挖后，垂直方向位移存在兩種對稱形式。一種是左洞與右洞沿自身中垂面左右對稱，一種是左右兩側(cè)隧道關(guān)于兩洞間中分面大致對稱。隧道拱頂以上出現(xiàn)了約22mm的最大位移，拱頂上方24m范圍內(nèi)的垂直位移平均約為15mm。隧道底部最大垂直向上位移值約18.5mm。左側(cè)隧道受右側(cè)隧道影響，豎向位移相對大。左隧道上臺階開挖后，橫向位移云圖呈現(xiàn)非對稱分布，開挖區(qū)拱腳處的最大橫向位移值約為5.0mm，左側(cè)拱璧圍巖向左側(cè)移動5.0mm。隧道拱頂區(qū)域內(nèi)豎向變形最大值增加了0.1mm，拱底圍巖隆起減少了0.1mm。拱腳處橫向最大位移與左洞右側(cè)變形變化不大。

左隧道上臺階應力分析

隧道中軸面兩側(cè)的最小主應力呈對稱分布，左側(cè)隧道開挖區(qū)拱頂和拱底的壓應力較小，約為0.3MPa～0.5MPa。受右側(cè)隧道影響，左側(cè)隧道右側(cè)巖壁壓力分布區(qū)呈現(xiàn)向下轉(zhuǎn)移，壓力值范圍為4MPa～4.5MPa，大于巖石抗壓強度，此處的圍巖穩(wěn)定性差，易破壞。拱腰區(qū)域拉應力值達到0.2MPa；在隧洞頂部和底部出現(xiàn)了拉應力集中現(xiàn)象，但拉應力值為0.03MPa，小于圍巖體的抗拉強度。

初支后圍巖拱腳處的壓應力集中現(xiàn)象持續(xù)存在，支護區(qū)拉應力范圍擴大，拉應力最大值增大到0.15Mpa，支護后圍巖穩(wěn)定性相對改善。

左隧道下臺階位移分析

受右側(cè)隧道影響，左側(cè)隧道內(nèi)下臺階開挖后拱頂范圍的臨空面最大垂直位移為22.5mm，拱頂上方25m范圍內(nèi)平均垂直位移約18mm，拱腰區(qū)域兩邊向下位移值比較均勻，最大值約為15mm。拱腳附近最大垂直向上位移值減小為15.5mm，左側(cè)隧道內(nèi)下臺階開挖后，在拱腳內(nèi)壁0.8m的位置出現(xiàn)了最大橫向位移，左側(cè)拱璧圍巖向外側(cè)移動約5.0mm。左側(cè)隧道內(nèi)下臺階開挖經(jīng)過支護后，拱頂區(qū)域豎向變形區(qū)范圍持續(xù)增大，豎向位移的最大值增加到22.5mm。隧道拱底圍巖隆起減少到15.5mm；拱腳處出現(xiàn)了橫向最大變形，此處的橫向位移最大值變化不大。

左隧道下臺階應力分析

左隧道上臺階開挖未采取支護措施時，拱腳處左右兩側(cè)的壓應力比右側(cè)隧道開挖時大3.5MPa，拱底壓應力較小。而在上臺階仰拱支護邊緣則出現(xiàn)了較為顯著的應力集中現(xiàn)象，壓應力約4.75MPa，大于圍巖抗壓強度。上臺階拱頂拉應力約0.2MPa。右側(cè)隧道拱腳處的拉應力出現(xiàn)顯著集中現(xiàn)象的原因在于，左側(cè)隧道開挖的影響。左側(cè)隧道下臺階開挖初支后，隧道周界圍巖應力整體都呈現(xiàn)減小態(tài)勢，拱腳壓應力減小為1.25MPa，拱底壓力減小為0.2MPa，下臺階拉應力范圍減小，拱頂拉應力變大為0.2MPa，拉應力集中狀況依舊明顯。